1、第三節(jié)自然氣的高壓物性（4 學(xué)時）一、教學(xué)目的 明白自然氣的組成和分類方法,嫻熟把握自然氣各種高壓物性參數(shù)的 運算方法；明白對應(yīng)狀態(tài)原理的應(yīng)用；二、教學(xué)重點、難點 教學(xué)重點 1、自然氣各種高壓物性參數(shù)的運算 2、對應(yīng)狀態(tài)原理的證明及應(yīng)用 3、壓縮因子的物理意義 教學(xué)難點 1、對應(yīng)狀態(tài)原理的證明 2、多組分體系壓縮系數(shù)的運算 三、教法說明 課堂講授并幫助以多媒體課件展現(xiàn)相關(guān)的數(shù)據(jù)和圖表 四、教學(xué)內(nèi)容 本節(jié)主要介紹六個方面的問題：一、自然氣的組成 二、自然氣的分子量等參數(shù) 三、自然氣的狀態(tài)方程 四、自然氣的體積系數(shù)五、自然氣的壓縮系數(shù) 六、自然氣的粘度（一）、自然氣的組成及分類 1、自然氣的組成

2、化學(xué)組成：自然氣就是指地下采出的可燃氣體的總稱,它是由多種氣體組成的一 種混合物,其組成主要的烴類氣體,同時含有少量的非烴類氣體,自然氣 的組成通常采納氣相色譜儀進行全分析來獲得,從化學(xué)角度來看,自然氣 通常含有：（1）甲烷（ 80%）、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷（少） 、己烷、庚烷（2）H2S、硫醇、硫醚、 CO 2、CO、N2、H2O、He、Ar 自然氣在地層中有三種存在形式：（1）以溶解狀態(tài)存在于原油中（2）以游離狀態(tài)存在于氣通部分（3）存在于氣層中 自然氣的三種組成表示方法：（1）重量組成：g iiW i100 %nW i1（2）體積組成：y iiV i100 %nV i1（3）摩爾組成：

3、y iiNii100 %nN12、自然氣的分類（1）、按礦藏分氣田氣：C180% C2C4不多C5 +甚微油田氣：（溶解氣、氣頂氣） C2含量高 ,C1變化大 2097% 凝析氣田氣： C5 +含量較多, C17594% （2）、按組成分 濕氣（富氣）：C6 +100g/m 3貧氣： C6 干氣： C6+ 10100g/m 3+10g/m 3（3）、按含硫量分：3凈氣： S1g/m 3酸氣： S1g/m（二）、自然氣的分子量及比重 1、自然氣的分子量 自然氣的視分子量：自然氣為一種由多種烴類和非烴類氣體組成的混 合物,它沒有固定的分子式和分子量,人們?yōu)榱艘院筮\算上的便利,特意給自然氣假想了一個

4、分子量,稱為視分子量；（1）、定義：把在 0,760毫米汞柱,體積為22.4 米3（升）的自然氣所具有的重量定義為該種自然氣的公斤（克）分子量；（2）、運算：Min1yiMiMin1yiMi1 ni1giMi留意：自然氣的組成不一樣,分子量不一樣；組成相同,比例不同,分子量也不同；2、自然氣的比重（1）、定義：在相同溫度和壓力下,自然氣的溫度與空氣的重度之比；（2）、運算 : Sr gSins iyira1M自然氣的比重一般為28.971.0 ,自然氣的比重測0.5 0.7 ,個別情形大于量常采納上述的公式運算或采納比重瓶法直接測試； 三 、自然氣的狀態(tài)方程 所謂狀態(tài)方程就是指描述氣體體積、壓

5、力、溫度的關(guān)系表達式；（1）、抱負氣體狀態(tài)方程式抱負氣體狀態(tài)方程式為：PV=nRT 式中：P氣體的壓力, MPa VP下氣體的體積,升T肯定溫度,（273.15+0C）0K N氣體摩爾數(shù) R氣體常數(shù) 抱負氣體狀態(tài)方程式的適用條件：（1）氣體分子為無體積無質(zhì)量的質(zhì)點；（2）氣體分子之間無作用力（引力和斥力）真正的抱負氣體是不存在的,但在高溫順低壓狀態(tài)下的氣體可以近似地看作抱負氣體,這是由于在高溫低壓下（1）氣體分子間距大,分子間的作用力可以忽視不計； （2）氣體體積較大,氣體分子本身的體積可以忽視 不計；（2）、實際氣體狀態(tài)方程式 A、從抱負氣體的假設(shè)入手 范德華方程式：Pn2aVnbnRTV2

6、Pa2VbRTVa范德華常數(shù) b范德華常數(shù) 壓力項的修正考慮的是分子引力因素,體積項的修正考慮的是分子體 積因素；除范德華方程外, 仍有 RK（Redlich-Kwong ）狀態(tài)方程、 SRKSoave- Redlich-Kwong 狀態(tài)方程等,同學(xué)們可參閱有關(guān)文獻；B、試驗法 依據(jù)抱負氣體狀態(tài)方程式,對抱負氣體狀態(tài)方程式直接進行修正,修 正后的狀態(tài)方程為：PV=ZnRT 式中 Z 稱為壓縮因子,它反映了實際氣體與抱負氣體的一切偏差；既 考慮了分子作用力的存在,也考慮了氣體分子自身體積引力因素使得真 實氣體較抱負氣體易于壓縮,而體積因素使得真實氣體較抱負氣體難于壓 縮,值的大小就是這兩個因素影

7、響的綜合表達Z時,氣體的引力因素和體積因素相等,但并不表示此時的真實氣 體就是抱負氣體Z時,氣體的引力因素體積因素, 真實氣體較抱負氣體難于壓縮Z時,氣體的引力因素體積因素, 真實氣體較抱負氣體易于壓縮由此可見,要運用實際氣體狀態(tài)方程式進行氣體狀態(tài)的運算,就先必須確定在兩種不同狀態(tài)下氣體的壓縮因子 Z；那么,氣體的壓縮因子 Z 如何求得呢？A、單組分體系 試驗法 作圖 B、多組分體系 對應(yīng)狀態(tài)原理法對應(yīng)狀態(tài)原理假如兩種氣體處于對應(yīng)狀態(tài), 就這兩種氣體的全部內(nèi)涵性質(zhì)相同. 即與某種物質(zhì)量的多少無關(guān)的量 對應(yīng)狀態(tài), 如壓縮因子 , 粘度等 假如兩種氣體的對比壓力和對比溫度相同 , 就這兩種氣體處于

8、對應(yīng)狀態(tài). 對比壓力Pr=P/Pc Pc-臨界壓力對比溫度Tr=T/Tc Tc-臨界溫度臨界狀態(tài)當(dāng)某種物理的氣液界面消逝時所對應(yīng)的溫度和壓力就稱為臨界溫度和臨界壓力 . 此時的物質(zhì)統(tǒng)稱為流體 , 而氣相和液相的性質(zhì)完全相同 . 常見氣體的臨界參數(shù)氣體分子式分子量臨界壓力 MPa 臨界溫度 K 甲烷CH4 16.0 4.64 190.67 乙烷C2H6 30.1 4.88 303.50 丙烷C3H8 44.1 4.26 370.00 正丁烷nC4H10 58.1 3.79 425.39 CO2 CO2 44.01 7.38 304.17 H2S H2S 34.0 9.00 373.56 N2 N

9、2 28.0 3.39 126.11 自然氣視臨界參數(shù)運算 1 公式法 : Ppcin1yiPcin 2 查圖法 : Tpci1yiTci對應(yīng)狀態(tài)原理的證明 由范德華方程式Pa2VbRTv在臨界點得 , 水平拐點PPTc0V2Tc0V2PRT c22a0VTcV3Vb36a02P2RT cV2TcV4Vb解方程組得：V mVc3 bRP cVcT c8a27R bTcZP ca27 b2c或a3P cV2ZcP cVc3c1VcbRT c83將所得的 a、b 值代入范德華方程中得：P3 P cV2 cVVc8P cVc TV233T c兩邊同除 PcVc得P3P cV23 VVc8T, 就其對

10、比體c2VP c3 Vc3TcP3V2V18TcP cV2Vc33TcP3V2V18T33由此可見 , 任何兩種氣體只要其對比壓力和對比溫度相等積也相等 , 這就說明該兩種氣體處于對應(yīng)狀態(tài). ZPV RTPVPcVcPcTcVcRTPcVcTcPcVcPVRTcTTcZcPVT從上式可以看出 : 只要氣體的臨界壓縮因子Zc 為一常數(shù) , 就當(dāng)兩種氣體的對比壓力和對比溫度相等時 , 它們的壓縮因子必相等 . 常見氣體的臨界壓縮因子氣體Pc Tc Vc Zc Zc氦 He 2.26 5.3 0.0578 0.30 氫 H212.8 33.3 0.0650 0.305 氧 O250.10 154.8

11、 0.0780 0.307 氮 N233.5 126.2 0.0901 0.297 甲烷 CH445.8 190.7 0.990 0.290 乙烷 C2H650.0 282.4 0.124 0.268 苯 C6H648.6 562.0 0.260 0.274 二氧化碳 CO72.9 304.2 0.094 0.274 氨 NH3111.5 405.6 0.072 0.242 從表中可以看出,盡管各種氣體的臨界參數(shù)Tc、Pc 相差很大,但相差微小 , 這說明用對應(yīng)狀態(tài)法求真實氣體壓縮因子完全滿意精度要求 . 自然氣壓縮因子的求解步驟 1 依據(jù)組成求 Pc、Tc 2 由給出的 P、T 求 Tr、P

12、r 3 依據(jù) Tr 、Pr 查自然氣壓縮因子圖版 3 自然氣壓縮因子的校正（A）N2 對壓縮因子的影響：埃勒爾茨等人討論了N2 對自然氣壓縮因子的影響后指出：假如自然氣中 N2的含量 10%,那么按對應(yīng)狀態(tài)理論運算的該混合氣體的壓縮因子誤差1%；假如含量 20%,誤差將 3%這時建議采納下述方法來運算含 N2的天 然氣的壓縮因子；a ）ZayN2ZN21yN2Zg式中：yN2自然氣中的摩爾分數(shù)；Zg氣樣中烴混合氣的壓縮因子,同前依據(jù)對應(yīng)狀態(tài)原理求得, 值得留意的是,這時的烴類氣體的組成應(yīng)當(dāng)重新折算到將整個烴類氣體視 為 100%時的摩爾組成,再依據(jù)新的組成來運算臨界參數(shù),然后求得 Zg 值；Z

13、N2氮氣的壓縮系數(shù),可查N2的壓縮因子圖版 見多媒體 ；b ）運算含 N2的自然氣的真實壓縮系數(shù)Z C Z aC附加比校正系數(shù), 這個校正系數(shù)與自然氣中 N2 的含量有關(guān)； 見多媒體 （B）CO 2 對 Z 的影響Z Z CO 2 y CO 2 1 y CO 2 Z g斯坦丁指出： 氣樣中 CO 2的含量在 2%以下時,用對應(yīng)狀態(tài)原理運算可得到中意的結(jié)果； 再次等又指出, 如氣樣中 CO 2 含量為 4%時,用對應(yīng)狀態(tài)原理所運算的 Z 值將產(chǎn)生 5%的誤差,并建議：含 CO 2的自然氣的壓縮因子用下式運算：Z a y CO 2 Z CO 2 1 y CO 2 Z gZ CO 2CO 2 的壓縮

14、因子,可以查圖；假如自然氣中同時含有 Z CO 2、N2,那采納下式運算：Z a Z CO 2 y CO 2 y N 2 Z N 2 1 y CO 2 y N 2 Z gZ CZ aC f y N 2Zg烴類氣體的壓縮因子（C）H2S對 Z 的影響目前,關(guān)于 H2S 對 Z 的影響的資料甚少,討論的也不多；但對于 H2S含量不多的自然氣可以直接將H2S的臨界參數(shù)參加混合運算來確定壓縮系數(shù)；對 H2S 含量較大的氣樣,建議采納試驗室測量；對于 H2S 和 CO 2含量很高的自然氣,那么就采納：T paT pc.0 5550TpcBP pc.1 8 P pc.1 8 TpcB1Tpc、Ppc氣樣校

15、正前的視臨界系數(shù),運算；Tpc、P pc校正后的視臨界參數(shù)；2SB在含和 H2S的自然氣中, B=yH視臨界溫度校正系數(shù)最終依據(jù)Tfy CO 2,y H2Spc、P pc來求 P 、T ,從而查出 Z 值； 四 、自然氣的體積系數(shù) 1 定義: 氣體在地層條件下所具有的體積 （游離態(tài)氣體, 如氣頂氣、氣層氣）與標(biāo)準(zhǔn)狀況下所占有體積的比值 . 無單位 2 運算: BgVP 0Z273tP 0VgoZnRTPnRT 0ZT T 0P 0P273 P一般情形下 Bg1 3 物理意義 : 反映了單位體積（標(biāo)況）的自然氣地層條件下所占有的體積； 五 、自然氣的壓縮系數(shù) 1 定義 : 壓力每轉(zhuǎn)變一個單位 大

16、氣壓 時,氣體體積的變化率 . 或：壓力改 變一個單位 大氣壓 時,單位氣體體積的變化量 . 單位:1/MPa 2 運算: Cg1VVP1 純組分體系氣體壓縮系數(shù)的求法Cg1dV11dZVdPPZdP（a）先求 Z （b）求 P、T 對應(yīng)點處的dZ ,這里要留意 dPdZ 值的正負性；dP2 多組分體系氣體壓縮系數(shù)的求法Cg1P r11dZrP cZP cdPCg11dZPcPrZdPr11dZP cP rZdP r詳細求法同前,只是求dZ 時要從自然氣壓縮因子圖版上求得,另外也 dP可以依據(jù)rP、T , 利用對應(yīng)狀態(tài)原理查圖求C ；C gC grP c 六 、自然氣的粘度1 低壓下自然氣粘度的求法 1 公式運算法iiyiM1 i2yM1 i22 查圖法 依據(jù)溫度和自然氣的比重查下圖2 高壓下自然氣粘度的求法1 依據(jù)自然氣的組成求出自然氣的比重,并依據(jù)所得比重（查圖）求出自然氣在一個大氣壓情形下的粘度 . 12 依據(jù)自然氣的組成求自然氣的臨界壓力和臨界溫度 . 3 求自然氣的對比壓力和對比溫度 . 4 查下圖得 1 5 11五、教學(xué)后記 通過本節(jié)課的學(xué)習(xí),大多數(shù)同學(xué)把握了自然氣的定義、分類方法,掌 握了自然氣的分子量、比重的運算,能夠利用自然氣的狀態(tài)方程進行不同 狀態(tài)的運算,對對應(yīng)狀態(tài)原理有了深化的明白,